基于車 - 車通信技術的既有信號系統改造研究

梁 波，唐利華

（1. 湖南中車時代通信信號有限公司，湖南長沙 410100；2. 長沙市軌道交通運營有限公司，湖南長沙 410100）

1 概述

城市軌道交通既有信號系統升級改造是一項復雜工程，將面臨諸多挑戰。首先，改造后系統的性能要與新線相當，受限于既有線的基礎設施，很多問題需要創造性地在有限的條件下加以解決。其次，既要保證舊系統的正常運營，又要兼顧新系統的順利開通，邊運營、邊改造， 在新舊系統之間反復倒切的條件下，要在確保安全的同時保證調試效率，這對系統設計與開發、現場實施方案及施工組織等都提出了更高的要求。

基于通信的列車運行控制（CBTC）系統由于發車間隔小、運營效率較高等優勢，被廣泛應用于國內外城市軌道交通領域。典型的傳統CBTC系統架構如圖1所示。

傳統CBTC系統由列車自動監督系統（ATS）、區域控制器（ZC）、計算機聯鎖（CI）、車載控制器（VOBC）及應答器等軌旁設備組成，系統功能耦合度高，設備數量眾多、接口復雜。在使用傳統CBTC系統對既有信號系統進行升級改造時，存在如下問題。

（1）系統功能耦合度高，增加了系統調試的難度。列車運行對ATS和ZC依賴程度高，一旦ATS設備和ZC設備發生故障，列車無法自動運行。

（2）地面控制設備與軌旁設備數量眾多，既提高了建設和維護成本，又增加了故障點。

（3）系統接口多且結構復雜，導致項目施工周期長、調試過程繁雜、故障影響范圍大。

采用傳統CBTC系統對既有信號系統進行升級改造，改造的難度與工作量非常大。

2 基于車 - 車通信的信號系統

基于車-車通信的新一代信號系統采用軌旁線路資源分散、細化管理的理念，對傳統CBTC系統架構進行優化，采用LTE-M（LTE Metro）的車-車通信架構，以列車為中心，對系統功能進行重新分配。

2.1 系統架構

基于車-車通信的信號系統架構如圖2所示，架構與傳統CBTC相同，由控制中心、地面、車載與軌旁4 個部分組成，包括ATS、目標控制器（OC）、VOBC及軌旁應答器與道岔等設備，MA為移動授權。其中地面部分去掉了CI與ZC設備，增加了對線路資源進行管理的OC設備，其他部分與傳統CBTC系統相同。

2.2 系統原理

基于車-車通信的信號系統以列車為中心，具備自主路徑、自主防護和自主調整功能。系統對傳統CBTC的功能進行了重新分配，把移動授權、進路控制、運行調整等原軌旁系統功能集成至VOBC。列車基于ATS的運行計劃、OC的資源狀態、通過車-車通信獲取的前車狀態等信息，實現列車的自主路徑、自主防護與自主調整等功能。

2.2.1 自主路徑

列車自主計算安全路徑。VOBC系統提前接收ATS下發的計劃運行路徑信息，主動從OC獲取計劃運行路徑范圍內的線路資源，列車基于線路資源的獲取狀態自主計算安全運行路徑，通常情況下，當列車獲得某個資源，為列車計算的安全運行路徑終點就可以越過該資源點防護區，延伸至下一未獲取到的線路資源點防護區邊界，再回撤一定的安全防護距離，從而周期計算出列車的安全運行路徑范圍。

2.2.2 自主防護

列車基于自主計算的安全路徑，識別該安全路徑范圍內的所有障礙物（包括前車），鎖定需要通信的相鄰目標列車，并主動與目標列車實時通信交互信息，以獲取目標列車的位置、速度及方向等信息。列車基于安全路徑、從OC 接收到的軌旁設備狀態信息、列車位置信息以及通過車-車間直接通信方式獲取到的相鄰列車信息，自主計算移動授權和控車防護速度曲線，以確保列車間的安全間隔防護。

2.2.3 自主調整

若列車在實際運行過程中出現晚點或因列車故障導致與計劃運行時刻表出現偏差時，目標列車可實時接收ATS自動下發的更新運行計劃，也可以接收中心調度員人工下發的調整站停時間、區間運行等級等指令；列車根據更新計劃或調整指令，自主調整列車運行路徑，自主申請或釋放線路資源，以控制列車輸出牽引、惰行、制動指令的內容和時機，從而實現列車自主調整。

2.3 系統特點

基于車-車通信的信號系統簡化了傳統CBTC系統的架構，以列車為中心，減少軌旁設備數量，有效減少信息的通信傳輸時延，提高控制精度，縮短列車追蹤間隔，大幅提升運營效率，在節約建設成本和運營維護成本的同時也使列車更安全、智能、高效、經濟，是城市軌道交通列車控制系統的發展方向。系統的主要特點如下。

2.3.1 系統架構優化，控制更優、更安全

系統對傳統CBTC系統的功能進行重新分配，把CI與ZC的功能集成到VOBC，地面僅設置與現場設備接口的OC，同時VOBC設備與車輛網絡、牽引、制動系統的深度融合，大幅降低了系統間接口的復雜度和交互信息量，優化通信鏈路，有效減少系統間列控信息的通信傳輸時延，提高了系統控制精度，使列車在安全、可靠、智能方面有了明顯提升。

2.3.2 故障影響減少，系統可用性更高

基于車-車通信的信號系統采用分布控制的策略，以列車為中心，僅需無線網絡與OC設備無故障，列車即可正常運行。當單列車故障時，不影響其他列車的正常運行，將單車故障對運營的影響降到最低且能快速恢復，具有更高的可用性。

2.3.3 突破進路限制，運營組織更靈活

基于車-車通信的信號系統突破進路的限制，將線路上的道岔、站臺、折返軌等可以正常停車的區域、保護區段都視為線路資源點，以每一個資源點為最小的管理單元，對線路資源進行更精細化管理，為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案。列車根據運行計劃對線路上的資源點進行有序的申請與釋放，盡量減少線路資源被列車占用的時間，從而大幅提升了線路資源的利用效率，達到縮短列車運行間隔，提高列車旅行速度的效果。

2.3.4 道岔細分管理，提升列車追蹤折返效率

基于車-車通信的信號系統對線路資源進行分散管理，將所有的道岔設置為單動道岔，列車獲取到某道岔資源后，列車判斷通過該道岔防護區后可立即釋放該道岔資源，在列車進行追蹤折返作業時，可大幅縮短折返間隔時間，提升列車的折返效率。

2.3.5 簡化地面設備，便于既有線改造

地面子系統僅保留了OC、ATS設備，軌旁線路僅設置轉轍機、無源應答器設備，MA、進路控制、運行調整等核心功能都集成至VOBC，軌旁設備簡單，大幅降低系統間接口的復雜度及工程調試難度，大幅減少工程現場調試工作量，這些特征非常有利于既有線路信號系統升級改造，同時也有利于新舊系統倒切時的快速恢復，系統切換的安全風險大幅減少。

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3 基于車 - 車通信的既有系統改造方案

3.1 可行性分析

既有信號系統升級改造，需要在不影響運營、不對土建做改動的情況下，通過對信號系統進行升級，達到提升運能的目的。因此，既有信號系統升級改造主要關注運能、改造周期、新老系統倒切、運營影響及技術先進性等焦點。

基于車-車通信的信號系統滿足既有線改造的要求，主要體現如下。

（1）系統較傳統CBTC系統整體性能提升30%以上，可以有效地提升運能，滿足未來客流增長的要求。

（2）既有線改造的難點是所有作業均需要在夜間停運后進行，設備安裝調試時間短，基于車-車通信的信號系統具有軌旁設備少，占用機房面積小等優勢，在同等條件下，可縮短1/3的改造工期。

（3）既有線改造一般沒有條件進行土建改造，庫線一般不能滿足全自動運行的要求，基于車-車通信的信號系統安全防護距離更短，對配線要求低，可利用既有配線完成全自動運行模式精確停車，在不升級配線的情況下支持有人或無人值守的全自動運行。

（4）既有線改造如果使用傳統CBTC方案，需要復用道岔、信號機、次級檢測設備、繼電組合等發生更多的關聯性（共用或倒切）。基于車-車通信的信號系統由于架構精簡，減少了聯鎖設備、次級檢測設備，不與舊系統發生關聯，僅僅需要對軌旁道岔和信號機等在分線盤進行切換控制。

（5）既有線改造風險與改造設備的數量、關聯度直接相關。風險高低與接口數量、改造工期、調試項數量這幾個因素成正比例關系，如接口數量越多，風險越大，其他因素雷同。基于車-車通信的信號系統改造時，只對道岔和少量信號機進行倒切控制，同時采用了全電子執行單元，徹底消除了大量繼電器接口改造所帶來的風險，全電子執行單元直接通過分線盤與室外道岔、信號機及站臺門接口。

（6）按項目改造工期4～5年，改造完成后運營15年計算，從項目開始改造到其生命周期結束，近20年的時間內，改造升級的信號系統要具備一定的先進性。基于車-車通信的信號系統是目前最先進的系統制式，在改造完成后的15年運營期間可以最大程度保持其先進性。

3.2 既有信號系統改造方案

3.2.1 控制中心改造方案

由于既有的信號系統中心設備設備老化，可靠性降低，且不支持移動閉塞，需要在控制中心安裝1套新的ATS控制中心設備，主要由應用服務器、通信服務器、協議網關服務器、模擬培訓系統、數據庫服務器、運行圖管理系統、站場監控系統構成。其中，通信服務器負責與乘客信息系統（PIS）、廣播系統（PA）、綜合監控系統（ISCS）、時鐘、無線等非信號系統進行接口，使用既有系統的通信協議與非信號系統通信接口，確保正常交互。既有系統與新系統獨立運行，同一時間僅一個系統上電工作，改造系統調試驗收后，拆除舊系統設備。

3.2.2 車載設備改造方案

改造工程一般跨度較長，為使列車在改造期間還可以繼續正常運營，采用在列車上疊加配置新車載系統的方案，2套系統相互獨立，通過倒切裝置，確保同一時間只有1套車載系統在運行。

車載設備主要包括ATP、ATO、休眠喚醒單元、應答器傳輸單元（BTM）及車載數據通信單元。在緊鄰司機室車廂內隔出一定空間，安裝基于車-車通信的信號系統新機柜；增設臨時支架固定速度傳感器、雷達傳感器、應答器天線、車載天線等外圍設備；增加倒切開關對信號與車輛電氣接口進行控制，在運營與調試時，倒切至相應的系統工作。

車載設備改造是一個復雜的工程，為避免停運列車過多，可充分利用列車定修、大架修或改造計劃對列車進行分批改造，降低對運營的影響。

3.2.3 車站設備改造方案

車站設備改造主要包括OC設備、車站ATS設備及電源等改造。在車站設備室設置OC，對道岔與信號機進行控制，在分線盤上設置倒切裝置，對OC與既有系統進行切換，確保同一時間只有1個系統對道岔與信號機進行控制。OC使用電子執行單元替代了傳統的繼電器，減少設備房屋空間需求，易于擴展，維護簡便，冗余配置降低故障率，減少配線數量，施工簡單。

由于既有線的ATS設備老化，可靠性降低，且不支持移動閉塞，需要在車站布置1套全新的ATS設備。新的車站ATS設備與既有ATS設備相互獨立，調試期間關閉既有ATS車站設備電源，正常運營時，關閉新系統ATS設備電源，2套系統互不影響，改造系統調試驗收后，拆除既有的ATS車站設備。

其他設備如電源屏、不間斷電源（UPS）、電池柜、信號機、轉轍機等既有設備，如果可用，盡量利舊，以降低工程成本。

3.2.4 數據通信系統改造

原有的舊的數據通信系統無法滿足移動閉塞的要求，需要建立全新的數據傳輸系統，為基于車-車通信的信號系統中的ATP、ATO、ATS、OC、維修監測等各子系統提供穩定、可靠、安全的數據傳輸通道。

數據傳輸系統（DCS）有線骨干網采用由工業以太網交換機組成的冗余環網進行傳輸，基于IEEE802.3以太網協議，骨干網可以考慮利舊。DCS系統車-地無線通信方案采用基于3GPP TD-LTE標準的 LTE-M技術進行數據傳輸，LTE-M采用專用1.8 GHz（1 785～1 805 MHz）無線頻段，具有較好的抗干擾能力；具備優先級保障機制，保障最高優先級用戶業務的接入和可靠傳輸；具備自動頻率校正能力，可確保200 km/h高速移動場景下的無線鏈路質量。

3.3 系統調試

新系統的靜態調試對線路環境沒有要求，可在運營時段進行。單車功能測試、多車追蹤測試、系統性能測試及綜合聯調等工作，由于需要在特定的線路環境中開展，只能在夜間非運營時間進行。在調試期間，每天結束調試時，務必確保恢復既有系統的運行環境，不影響既有系統的正常運行。當新系統通過上述各項測試，具備載客試運營條件后，進行倒切，由新系統向運營提供安全防護，并逐步拆除舊系統與倒切裝置。

4 總結

基于車-車通信的信號系統優化了系統架構，控制更安全，突破進路限制，運營組織更靈活，對資源進行細化管理，線路利用率更高，對道岔進行細分管理，提升列車的追蹤折返效率，精簡了地面設備，降低了改造的難度，縮短了改造工期，相對于傳統CBTC系統，基于車-車通信的新型信號系統更適用于既有線改造，為既有信號系統的改造提供了一個更優的選擇。